DE2931381C2

DE2931381C2 - Auslenkungs- oder Hubfühler

Info

Publication number: DE2931381C2
Application number: DE2931381A
Authority: DE
Inventors: Yutaka Tokio/Tokyo Fujita
Original assignee: TDK Corp; NipponDenso Co Ltd
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1978-08-05
Filing date: 1979-08-02
Publication date: 1984-09-20
Also published as: DE2931381A1; GB2031587A; JPS5525251U; US4307366A; GB2031587B

Description

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Die Erfindung betrifft einen Auslenkungs- oder Hubfühler mit zwei koaxial nebeneinander angeordneten, gleich langen Spulen, weiche auf einem hohlzyiindrischcn Spulenkörper angeordnet sind, und einem an ei- wi nem Träger angeordneten koaxialen Ferritkern, der relativ zu den Spulen durch diese verschiebbar ist und dessen Auslenkung gemessen wird, indem die Spulen von einem Wechselstrom durchflossen werden, wobei die über jede Spule auftretende Spannung sich mit der trt Stellung des Ferritkerns ändert.

Üblich sind Auslenkungs- oder Hubfühler der in F i g. I dargestellten Art. bei denen ein Polenliometcr /' an eine Gleichspannungsquelle DC angeschlossen ist Der Schleifer ρ dieses Potentiometers fist verbunden mit einem Bauteil, dessen Auslenkung oder Hub zu messen ist. Zwischen dem Schleifer ρ und der Masse E ergibt sich ein elektrisches Spannungssignal, welches proportional zur Stellung des Schleifers ρ und somit proportional zur Auslenkung ist

Derartige Fühler haben jedoch den Nachteil, daß die Widerstandsfläclie des Potentiometers einem beträchtlichen Abrieb unterliegt, wodurch die Lebensdauer des Potentiometers begrenzt ist.

Dieser Nachteil wird bei induktiv arbeitenden Hubfühlern vermieden. Die DE-PS 10 94 988 zeigt einen Hubfühler, bei welchem ein Ferritkern durch zwei an Wechselspannung liegende Spulen hindurchbewegt wird, wobei diese beiden Spulen zusammen mit einstellbaren Induktivitäten eine Meßbrücke bilden. Hierdurch kann ein Brückenabgleich vorgenommen werden.

Bei dem Fühler nach der DE-PS 10 15 614 sind zwei Spulen, durch die sich ein Ferritkern bewegt, ebenfalls mit zwei weiteren Induktivitäten zu einer Brücke geschaltet. Zum Brückenabgleich ist ein einstellbarer Widerstand vorgesehen, welcher parallel zu den Induktivitäten geschaltet ist. Parallel zur Serienschaltung der beiden Spulen ist weiterhin ein Differentialkondensator vorgesehen, der zur Temperaturkompensation dient.

Eine Vorrichtung zur Messung der Relativbewegung zweier Teiie zueinander entsprechend der DE-AS 10 53 794 weist zwei Spulen auf. durch die ein Ferritkern hindurchbewegbar ist und welche mit zwei einstellbaren Widerständen zu einer Brückenschaltung vereinigt sind. Diese Widerstände dienen ebenfalls dem Brückenabgleich.

Der vorliegende Auslenkungs- oder Hubfühler soll insbesondere zur Ermittlung der Pedalstellung des Gaspedals bei Kraftfahrzeugen dienen. Für einen solchen Einsatzzweck sind die drei vorgenannten induktiven Fühler nicht geeignet, da bei ihnen ein Brückenabgleich erforderlich ist und die Schaltkreise, an die die Spulen angeschlossen sind, relativ kompliziert aufgebaut sind. Bis auf den letzterwähnten induktiven Fühler sind diese für Feinmeßzwecke konzipiert und daher nicht für einen robusten Betrieb geeignet.

Es besteht die Aufgabe, den Fühler der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß sein mechanischer Aufbau einen robusten und störunanfälligcn Einsatz ermöglicht und der Schaltkreis, an dem der Fühler angeschlossen ist, einfach aufgebaut sein kann.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Schaltung eines bekannten Auslenkungsfühlcrs;

F i g. 2 den grundsätzlichen Aufbau des Auslenkungsoder Hubfühlers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

F i g. 3 den Aufbau des auf einer Halterung angebrachten Ferritkerns;

F i g. 4 experimentelle Ergebnisse bezüglich der Beziehung zwischen der Stellung des Ferritkerns und der Induktivität der Wicklungen;

F i g. 5 normierte Kurven der Darstellungen gemäß F ig. 4;

I" i g. ba und 6b Darstellungen zur Erläuterung der experimentellen Bedingungen für die Erzielung der Kurven gemäß I' i g. 4 und 5;

Fig.7 ein Schaltbild, welches den Auslenk- oder Hubfühler gemäß F i g. 2 verwendet;

F i g. 8 einen Querschnitt durch eine praktische Ausführungsform des Auslenk- oder Hubfühi;rs gemäß Fig. 2,

Fig. 9 eine Ansicht von unten auf die gedruckte Schaltung, welche an dem Auslenkungs- oder Hubfühlcr gemäß F i g. 8 angebracht ist;

Fig. 10 eine auseinandergezogene Darstellung des Fühlers nach F i g. 8;

F i g. 11 eine Abwandlung des Gehäuses und der gedruckten Schaltung des Fühlers gemäß F i g. 8 und

F i g. 12 eine der Anwsndungsmöglichkeiten des Auslenkungs- oder Hubiühlers.

Zuerst sei näher auf die elektrischen Bedingungen und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung eingegangen und auf die F i g. 2 bis 7 Bezug genommen.

F ι g. 2 zeigt den Aufbau des wesentlichen Teils des Auslenkungs- und Hubfühlers gemäß einei.i Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und Fig.3 den Aufbau des in dem Fühler der F i g. 2 verwendeten ferro-magnetischen Kerns. In diesen Figuren ist ein hohlzylindrischer Spulenkörper aus Kunststoff gezeigt. Auf dem Spulenkörper 1 sind zwei elektromagnetische Wicklungen 2 und 3 mit einem vorbestimmten Abstand di voneinander aufgewickelt. Es wird angenommen, daß diese Wicklungen miteinander in Reihe geschaltet sind und an das am Verbindungspunkt der zwei Wicklungen ein Mittelabgriff vorgesehen ist. In dem Spulenkörper 1 ist ein länglicher ferro-magnetischer Kern 4, beispielsweise ein Ferritkern eingesetzt. Der Kern 4 ist an seinem Ende mit einem länglichen Halterungsstift 4a aus nichtmagnetischem Material versehen.

Es ist zu beachten, daß die Kombination aus Kern 4 und Halterung 4a beweglich in den Spulenkörper eingesetzt ist, so daß die Induktivität der Wicklungen 2 und 3 von der Stellung des Kerns 4 abhängt.

Vorzugsweise verringert sich die Induktivität einer der Spulen, z. B. 3, linear, wenn der Kern 4 in den Spulenkörper 1 bewegt wird, während sich dabei die Induktivität der anderen Wicklung 2 beim Bewegen des Kerns in den Spulenkörper 1 erhöht; die Summe der Induktivität der in Reihe geschalteten Wicklungen 2 und 3 ist unabhängig von der Stellung des Kerns 4.

Die Fig.4 und 5 zeigen experimentelle Ergebnisse bezüglich der Induktivität der Spulen bei der Verstellung des Kerns 4. In Fi g.4 bezieht sich die ho.i/.ontale Achse auf den Bewegungsweg fX^des Kerns 4 in Millimetern und die vertikale Achse auf die Induktivität der Wicklungen 2 und 3 und der Reihenschaltung der beiden Wicklungen gemessen in Mikro-Henry (μΗ). Die Kurve L_Ac zeigt die Induktivität der Wicklung 3 zwischen den Klemmen A und B, die Kurve Lbc die Induktivität der Wicklung 2 zwischen den Klemmen B und C und die Kurve Lab die Induktivität der Reihenschaltung der Wicklungen 2 und 3 zwischen den Klemmen A und B. Bei dem Experiment gemäß Fig.4 wurden Bedingungen verwendet wie sie aus Fig.6 hervorgehen: Die Länge d\ jeder Wicklung 2 und 3 war 15 mm, die Länge 02, also der Abstand zwischen den benachbarten Enden der beiden Wicklungen 7 mm, die Länge d_it der äußere Durchmesser des Spulenkörpers 1 war 7,5 mm, die Länge dt des Ferritkerns 4 war 20 mm. die Länge d·, stellt den Durchmesser des Ferritkerns 4 dar und war 4 mm, die Länge dt zwischen den Enden des Spulenkörpers 1 und dem Ende der Wicklung 2 bzw. 3 betrug 2 mm, die relative Permeabilität (//) des Ferritkerns 4 war 2500, die Windungszahlen der beiden Wicklungen 2 und 3 jeweils

112. Ferner wurde als Bezugspunkt für den Bewegungsweg (X) auf der horizontalen Achse der F i g. 4 die Position gewählt, in der das rechte Ende des Kerns 4 mit dem rechten Ende des Spulenkörpers 1 zusammenfällt. wie dies aus Fig.6a hervorgeht; die Länge (X) wurde gemessen zwischen dem rechten Ende des Spulenkörpers I und dem rechten Ende des Kerns 4, wie in F i g. 6b gezeigt.
Aus F i g. 4 ist ersichtlich, daß die Kurve Lac annähemd linear abfällt, wenn der Kern 4 in den Spulenkörper 1 eingeschoben wird, während die Kurve Lbc annähernd linear ansteigt. Dies bedeutet, daß die gesamte Induktivität, wie sie durch die Kurve Lab dargestellt wird, annähernd konstant ist und unabhängig von der Stellung des Kerns 4.

F i g. 5 zeigt die normierten Induktivitäten der Wicklungen 2 und 3 und die horizontale Achse zeigt die Länge (X); die vertikale Achse zeigt, wie gesagt, die normierte Induktivität (D).

Die normierte induktivität wird definiert als Lac/Lab oder Lin-/Lau-

Da die gesamte Induktivität Lau konstant ist und die Induktivitäten Lac und Lbc sich linear ändern, wie dies aus F i g. 4 ersichtlich ist, ergibt sich konsequenterweise, daß die normierten Induktivitäten Lac/Lab und/oder Luc/Lab in F i g. 5 linear gezeigt sind.

Die lineare Beziehung zwischen der Länge (X) und der Induktivität ist sehr wesentlich für einen Auslenkungs- oder Hubfühler, so daß diese lineare Beziehung.

wie sie aus den F i g. 4 bzw. 5 hervorgeht, ein wesentliches Merkmal des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung darstellt.

F i g. 7 zeigt ein Schaltungsdiagrarnm zur Erzeugung des Fühlerausgangssignals proportional zu der Länge

(X) bei dem Auslenkungs- oder Hubfühler. Gemäß Fig. 7 erzeugt eine Wechselspannungsquelle 20 ein Wechselspannungssignal mit einer Winkelfrequent ω und einer Amplitude Κλ«; es fließt dann ein Strom (I) durch die in Reihe geschalteten Wicklungen 2 und 3. Die Spannungen Vaii zwischen den Klemmen A und B der in Reihe geschalteten Wicklungen 2 und 3, Vac zwischen den Klemmen A und C der Wicklung 3 und VV zwischen den Klemmen C und B der Wicklung 2 können wie folgt dargestellt werden:

Vu, = (üLaiiI (1)

Vnc

Durch Einsetzen der Gleichung 1 in die Gleichungen 2 und 3 ergeben sich folgende beide Formeln:

(L^Lab)- V_AH

Vm- = (L

V_AH

Da die Spannung V_Ab konstant ist und die normierten Induktivitäten (Lac/L_ah) und (Lbi-/L_Ab) sich linear mit der Änderung der Stellung des Kerns 4 ändern, hängen die Spannungen VV-und V«c linear von der Stellung (X) des Kerns 4 ab und zwar unabhängig von der Frequenz der Spannungsquelle 20. Es ist ferner festzustellen, daß der Strom (I) unabhängig von der Stellung des Kerns konstant ist, da die gesamte Induktivität konstant ist. Somit gibt auch die Ausgangsklemme 23 in F i g. 7, welche mit den Klemmen S und Cder Wicklung 2 fibpr rlpn

Pufferverstärker 21 und den Gleichrichter mit Dioden 22a, 226, 22c und 22d verbunden ist, ein Gleichspannungssignal (DC)ab, dessen Amplitude proportional zur Stellung des Kerns 4 ist.

Es ist zu beachten, daß die lineare Beziehung erreicht wird durch die besondere Beziehung zwischen der Länge d, des Kerns 4, der Länge d\ jeder Wicklung 2 und 3 und der Länge dz zwischen den Wicklungen. Wenn der magnetische Fluß vernachlässigt wird, welcher an den Enden des Kerns 4 und/oder der Wicklungen 2 und 3 abgeht, dann sollte die Länge dt des Kerns 4 gleich der Summe der Länge d\ jeder elektromagnetischen Wicklung und des Abstands di sein, damit sich eine Beziehung ergibt gemäß der sich die Induktivität der Wicklung 3 linear verringert, während sich die Induktivität der wicklung 2 linear erhöht und die Gesanitinduktivität der in Reihe geschalteten Wicklungen 2 und 3 konstant sind. Bei dem tatsächlichen Ausführungsbeispiel ist jedoch die Länge <U des Kerns 4 etwas kürzer als die Summe d\ plus cfe und ein kurzes Stück dt, ist zwischen den Endkanten der Wicklung und des Spulenkörpers vorgesehen um den Kanteneffekt des magnetischen Flusses um den Kern 4 zu kompensieren. Somit muß zur Erzielung einer linearen Beziehung folgende Gleichung erfüllt sein:

(U = d\ + d-i — Δ

Vorzugsweise ist der Wert Δ annähernd gleich einem halben Durchmesser dz des Spulenkörpers.

Es ist ferner zu beachten, daß die Windungszahl der Wicklung 2 die gleiche sein muß wie diejenige der Wicklung 3 und daß die Länge d\ dieser Spulen die gleiche sein muß, um eine konstante Gesamtinduktivität zu erzielen.

Nachfolgend soll nun eine praktische Ausführung des Anmeldungsgegenstandes anhand von F i g. 8 bis 11 beschrieben werden.

Die Fi g. 8, 9 und 10 zeigen den Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Auslenkungs- oder Hubfühlers, wobei F i g. 8 einen Querschnitt durch den Fühler, F i g. 9 eine Draufsicht auf die am Boden des Fühlers angesetzte Verbindungsanordnung und Fig. 10 eine perspektivische Ansicht des auseinandergenommenen Fühlers darstellen. Der vorliegende Auslenkungs- oder Hubfühler besitzt eine Ankervorrichtung 5 mit zwei kurzen Seitenschenkeln 5a und 56 und einem langen Mittenschenkel 5c, ein Gehäuse 6 und einen Spulenkörper 1 mit zwei Wicklungen 2 und 3, eine gedruckte Schaltung 8 sowie eine Endkappe 9. Der Mittenschenkel 5c und die beiden Seitenschenkel 5a und 56 der Ankervorrichtung 5 sind miteinander über eine Brücke Sd verbunden. Die Halterung 4a und der Ferritkern 4 ist in das Ende des Mittenschenkels 5ceingesetzt Das Gehäuse 6 besitzt im wesentlichen die Form eines Kreiszylinders mit einem Ring 15, wobei die Mittenöffnung 6a zur Aufnahme des Spulenkörpers 1 mit den Wicklungen 2 und 3 und zwei Seitenöffnungen 6b und 66'zur Aufnahme des entsprechenden der zwei Seitenschenkel 5a und 5b der Ankervorrichtung 5 vorgesehen sind. Der Spulenkörper 1 mit den Wicklungen 2 und 3 ist mittels eines Klebeverfahrens in der Mittenöffnung 5a befestigt. Die Seitenöffnungen 66 und 66'besitzen einen nachgiebigen Ring 16 an ihrem oberen Ende, welche Ringe 16 mit dem entsprechenden Ring 17 in Eingriff gehen, wenn die Ankervorrichtung 5 in das Gehäuse 6 eingesetzt wird. Da der Ring 17 auf den Seitenschenkcln 5a und 56 eine Abschrägung ähnlich einem Krciskegel besitzt, werden die zwei Schenkel 5a und 5b gegen die kegelförmigen Ringe 17 gedrückt, wenn die Ankervorrichtung 5 in das Gehäuse 6 eingesetzt wird; nachdem die Ankervorrichlung 5 in das Gehäuse 6 eingesetzt ist, wirken die nachgiebigen Kegelringe als ein Anschlag, um ein Herausziehen der Schenkel zu verhindern. Es ist zu beachten, daß zwei Federn 10 in den Seitenöffnungen 6/? und 6b' eingesetzt werden, bevor die Ankervorrichtung 5 in das Gehäuse 6 eingeführt wird, wodurch der

ίο Ankervorrichlung 5 eine Rückspannung erteilt wird.

Die gedruckte Schaltung 8, welche drei Leitungen 7a, 76 und 7c besitzt, die mit den entsprechenden gedruckten Leitungen 11 verbunden sind, ist am Boden des Gehäuses 6 entweder mittels eines Klebe- oder Schmelz-Verfahrens für den Kunststoff angebracht. Die Leitungen A. B und C der Wicklungen 2 und 3 sind mit den externen Leitungen 7a, 76 bzw. 7c über das Leitungsmustcr 11 der gedruckten Schaltung 8 verbunden. Der Draht der Wicklungen 2 und 3 ist sehr dünn und schwach und kann deshalb leicht brechen; somit verhindert die Verbindung des Wicklungsdrahtes mit der externen Leitung über die gedruckte Schaltung 8, das der Wicklungsdraht brechen kann. Die Kappe 9 bedeckt den Boden des Gehäuses 6, so daß die Leiter der gedruckten Schaltung 8 in dem Isolator verborgen und der Spulenkörper 1 auf der Kappe 9 befestigt ist.

Fig. 11 zeigt eine Abwandlung des Gehäuses 6 und der gedruckten Schaltung 8. Aus F i g. 11 ist ersichtlich, daß das Gehäuse 6 aus einem rechteckigen Behälter 12 besteht, welcher an der Seitenwand nahe des Bodens des Gehäuses 6 angebracht ist; der Behälter 12 nimmt die gedruckte Schaltung 8 auf, welche annähernd die Form eines in der Zeichnung gezeigten Halbringes besitzt und einen rechteckigen Teil einschiießt, welcher mit dem Behälter 12 in Eingriff geht. Bei der in F i g. 11 gezeigten abgewandelten Ausführungsform wird ein Verdrehen der gedruckten Schaltung 8 vollständig durch den Eingriff des Behälters 12 mit der gedruckten Schaltung verhindert, d. h.. daß die externen Leitungen und die Wicklungsdrähte durch Störungen von außen geschützt sind.

Das Material aus dem die Ankervorrichtung und das Gehäuse bestehen, ist Kunststoff, beispielsweise Polybutylenterephthalat (PBT).

Bei der praktischen Verwendung ist das Gehäuse an dem Körper eines Fahrzeugs befestigt, welches einen nichtgezeigten Riemen oder dgl. verwendet.

Fig. 12 zeigt die Anwendung des erfindungsgemäßen Auslenkungs- oder Hubfühlers. Das Gas- oder Beschleunigungspedal 31 eines Kraftwagens ist mit dem erfindungsgemäßen Auslenkungs- oder Hubfühlers 30 über Verbindungsmittel 32 verbunden, weiche aus Zahnrädern und/oder Hebeln bestehen können. Wird auf das Beschleunigungspedal 31 Druck ausgeübt, dann wird die Bewegung des Pedals auf den Auslenkungsoder Hubfühler 30 übertragen, welcher daraufhin ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, das den Wert des Pedalweges angibt Dieses elektrische Ausgangssigna], welches linear abhängt von dem Pedalweg, wird zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung in einen Motor oder der Luftzufuhr verwendet

Wie im einzelnen beschrieben, ist der erfindungsgemäße Auslenkungs- oder Hubsensor einfach im Aufbau und besitzt keinen reibenden Gleitkontakt, wie der be-

b5 kannte Fühler, der ein Potentiometer verwendet Außerdem erzeugt der erfindungsgemäße Auslenkungsoder Hubfühler ein Ausgangssignal, welches linear von der Änderung der mechanischen Eingangsbewegung

abhängt. Er kann somit in einfacher Weise zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung und/oder der Luftzufuhr bei Kraftstoffverbrennungsmaschinen eines Kraftfahrzeugs verwendet werden.

Aus dem Vorstehenden ist erkenntlich geworden, daß 5 es gelungen ist, einen neuen und verbesserten Auslenkungs- oder Hubsensor zu schaffen.

Es ist zu beachten, daß die offenbarten Ausführungsbeispiele lediglich der Veranschaulichung dienen und nicht den Schutzumfang beschränken sollen. In dieser io Beziehung ist Bezug zu nehmen auf die beigefügten Patentansprüche und nicht auf die Beschreibung.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

15

20

25

JO

40

45

50

55

60

65

Claims

Patentansprüche:

1. Auslenkungs- oder Hubfühler mit zwei koaxial nebeneinander angeordneten, gleich langen Spulen, welche auf einem hohlzylindrischen Spulenkörper angeordnet sind, und einem an einem Träger angeordneten koaxialen Ferritkern, der relativ zu den Spulen durch diese verschiebbar ist und dessen Auslenkung gemessen wird, in dem die Spulen von einem Wechselstrom durchflossen werden, wobei die über jeder Spule auftretende Spannung sich mit der Stellung des Ferritkerns ändert, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger aus einer Ankervorrichtung (5) besteht, welche zwei parallele Seitenschenkel (5a, 5b), einen dazu parallelen Mittelschenkel (5c) und einer die Sche.ikel (5a, 5b, 5s) verbindenden Brücke (Sd) aufweist, wobei der Mittelschenkel (5c) den Ferritkern (4) trägt, ein zylindrisches Gehäuse (6) vorgesehen ist, das eine Mittenöffnung (6a) und zwei dazu parallele Seitenöffnungen (6b, 6b') aufweist, in den Seitenöffnungen (6b. 6b') je eine Feder (10) und in der Mittenöffnung (6a) der Spulenkörper (1) angeordnet sind, die Schenkel (5a, 5b, 5c) in diese öffnungen (6a, 66,6b') eingesetzt sind, am Boden des Gehäuses (6) eine gedruckte Schaltungsplatte (8) angeordnet ist, welche die elektrischen Verbindungen zwischen den Spulen (2, 3) und einem äußeren elektrischen Schaltkreis herstellt und welche durch eine Endkappe (9) abgedeckt ist und der Ferritkern (4) eine Länge (di) aufweist, welche maximal der Summe der Länge (d\) einer der Spulen (2, 3) und des Abstands (di) zwischen den Spulen (2,3) ist.

2. Fühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenöffnungen (6b, 6b') an ihren oberen Enden je einen elastischen Ring (16) aufweisen, und die Seitenschenkel (5a, 5b) an ihren Enden je einen kegelförmig abgeschrägten Ring (17) haben, der bei eingesetzter Ankervorrichtung (5) innenscitig zur Anlage an den zugehörigen Ring (16) kommt.

3. Fühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (6) nahe seinem Boden an der Seitenwand in einen rechteckigen Behälter (12) übergeht, in welchem eine Fahne (11) der gedruckten Schaltungsplatte (8) angeordnet ist.

4. Fühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (dt) des Ferritkerns (4) um den halben Durchmesser (d}) des Spulenkörpers (1) kürzer ist als die Summe der Länge (d\) einer der Spulen (2,3) und des Abstands (di) zwischen den Spulen (2, 3).